Moments de flexion bi-axiale sous charges sismiques
REVUE DE LA LITTรRATURE:
Les ponts sont des ouvrages vitaux dans les rรฉseaux de transports pour leurs rรดles socioรฉconomiques importants. Ils relient รฉgalement des zones difficiles dโaccรจs dans plusieurs cas. Il est donc important dโรฉtudier le comportement des ponts lorsquโils sont soumis ร des mouvements sismiques importants. Malgrรฉ quโil soit difficile de gรฉnรฉraliser lโimpact dโun รฉvรฉnement sismique donnรฉ sur les ouvrages, les รฉtudes effectuรฉes sur le comportement des ponts lors dโรฉvรจnements sismiques passรฉs ont permis dโรฉtablir des scรฉnarios types de ruptures et de dรฉvelopper des mรฉthodes dโanalyse et de calcul parasismique ainsi que des techniques de construction parasismique de plus en plus efficaces. ร cet effet, lโintroduction de lโisolation sismique de la base est une des techniques qui permet dโamรฉliorer considรฉrablement le comportement des ponts sous chargement sismique. Ce chapitre prรฉsente une revue de la littรฉrature portant entre autres sur les รฉtudes effectuรฉes rรฉcemment sur le comportement sismique des ponts et sur lโisolation sismique de la base appliquรฉe aux ponts.
Comportement sismique des ponts :
Plusieurs ponts ont subi des dommages importants ou se sont effondrรฉs lors des tremblements de terre de San Fernando en 1971, de Whittier Narrows en 1987, de Loma Prieta en 1989 et de Northridge en 1994 (Housner 1994, Mitchell et al. 1991, Priestley 1988). Des rรฉvisions importantes ont รฉtรฉ apportรฉes aux codes parasismiques aprรจs ces tremblements de terre. Des dommages trรจs sรฉvรจres au niveau de lโautoroute Hanshin et du chemin de fer de Shinkansen ont aussi รฉtรฉ observรฉs lors du sรฉisme de Kobe en 1995 (Anderson et al. 1996). Les dommages et ruptures observรฉs lors de ces รฉvรจnements sismiques sont attribuables le plus souvent : (a) aux dรฉficiences au niveau du taux dโarmature de cisaillement, de son ancrage et/ou lโespacement entre ces armatures dans les colonnes; (b) au taux excessif dโarmature longitudinale dans la zone de rotule plastique, causant la rupture en cisaillement dans le chevรชtre (la rupture en cisaillement est survenue ร cause du pourcentage dโacier inadรฉquat empรชchant la formation de la rotule plastique dans la colonne); (c) ร la rupture en cisaillement-friction au niveau des appuis (piles, culรฉes) oรน le taux dโarmature de cisaillement รฉtait inadรฉquat; (d) ร des longueurs dโassise de tabliers insuffisantes, notamment pour les ponts ร travรฉes simples et les ponts en biais (Anderson et al. 1996). Dans le cas des piles de ponts, les deux modes de rupture les plus observรฉs sont la rupture en flexion et la rupture en cisaillement (Priestley et al. 1994).
Systรจmes dโisolation sismique de la base pour les ponts :
Pour les raisons รฉvoquรฉes prรฉcรฉdemment, un systรจme dโisolation sismique ร la base comprend typiquement :
โข un systรจme dโappui rigide et rรฉsistant dans la direction verticale, permettant le transfert des charges;
โข une flexibilitรฉ horizontale avec une rigiditรฉ post-รฉlastique suffisante pour recentrer le pont;
โข un dispositif de dissipation dโรฉnergie sismique, permettant dโassurer lโamortissement et le contrรดle du dรฉplacement sismique.
Par ailleurs, dans certains cas, lorsque les forces non-sismiques (vent, freinage, etc.) causent un dรฉplacement en service non acceptable, il peut รชtre requis de recourir ร un dispositif de retenue รฉlastique. Le rรดle dโun tel dispositif est dโassurer une rigiditรฉ suffisante sous les charges non sismiques. Ce dispositif doit รชtre conรงu avec soin afin de sโassurer quโil ait une rigiditรฉ suffisante mais surtout une rรฉsistance minimale supรฉrieure aux forces non sismiques et une rรฉsistance maximale infรฉrieure au niveau sismique pour lequel le systรจme doit รชtre dรฉclenchรฉ pour protรฉger lโouvrage lors dโun sรฉisme.
On peut classer les isolateurs sismiques en deux familles : (1) les isolateurs sismiques ร base dโรฉlastomรจre, et (2) les isolateurs sismiques ร base de friction. On prรฉsente dans ce qui suit une brรจve description des systรจmes dโisolation les plus couramment utilisรฉs sur les ponts.
Conclusions et critique de la revue de littรฉrature :
Cette revue de littรฉrature dรฉcrit le comportement sismique global des ponts conventionnels et isolรฉs ร la base et fait รฉtat des diffรฉrents modes de ruptures qui ont รฉtรฉ observรฉs lors dโรฉvรจnements sismiques passรฉs. Les dommages et ruptures observรฉs lors de ces รฉvรจnements sismiques sont attribuables le plus souvent : (a) aux dรฉficiences au niveau du taux dโarmature de cisaillement, de son ancrage et/ou lโespacement entre ces armatures dans les poteaux, et (b) au faible taux dโarmature longitudinale dans la zone de rotule plastique.
La revue de la littรฉrature montre que plusieurs travaux de recherche ont portรฉ sur le comportement sismique des piles de ponts avec un faible taux dโarmatures longitudinales. Les rรฉsultats de ces travaux indiquent, entre autre, que de telles piles peuvent prรฉsenter un comportement ductile bien que le taux dโarmature soit infรฉrieur au minimum requis par les codes de conception parasismique. Ces rรฉsultats semblent indiquer un possible assouplissement de lโexigence relative au taux minimum dโarmature longitudinale requis pour les piles de ponts. Les รฉtudes relatives ร cette problรฉmatique, recensรฉes dans le cadre de cette revue de littรฉrature, ont portรฉ principalement sur les ponts conventionnels. Les rรฉsultats et conclusions qui en dรฉcoulent ne peuvent รชtre entiรจrement transposรฉs aux ponts isolรฉs ร la base du fait que ces derniers ont un comportement sismique qui diffรจre de celui des ponts conventionnels.
Lโisolation sismique de la base est de plus en plus utilisรฉe lors de la conception et construction de nouveaux ponts ou lors de la rรฉhabilitation sismique de ponts existants. Cela est principalement attribuable ร son efficacitรฉ dans la rรฉduction des forces sismiques et ร lโamรฉlioration de la performance sismique quโelle procure aux structures. Des รฉtudes approfondies sur la performance des piles de ponts isolรฉs ร la base avec un faible taux dโarmatures longitudinales semblent รชtre dโintรฉrรชt, dans la mesure oรน lโisolation sismique ร la base des ponts permet gรฉnรฉralement une rรฉduction importante de la demande sismique sur les piles et que la conception de celles-ci, gรฉnรฉralement gouvernรฉes par le taux dโarmature longitudinale minimale requis par les codes. Le travail de recherche prรฉsentรฉ dans ce mรฉmoire sโinscrit dans cet objectif et vise ร รฉtudier lโeffet de diminution de la borne infรฉrieure du taux dโarmature longitudinale sur le comportement et la performance sismique des ponts isolรฉs ร la base.
SรLECTION, CALIBRATION ET รTALONNAGE DES SIGNAUX SISMIQUES:
Deux types dโanalyse dynamiques, basรฉes sur des analyses spectrales, et des analyse temporelles doivent รชtre utilisรฉes afin dโรฉtudier la demande et la rรฉponse sismique dโune structure. Dans le cadre de ce projet une sรฉrie dโanalyses spectrale sont effectuรฉ afin de dimensionner les colonnes. Ensuite une sรฉrie dโanalyses temporelles non linรฉaires doit รชtre effectuรฉe afin dโรฉtudier la performance et le niveau de dommages des ponts lors dโun รฉvรจnement sismique. Cependant, les signaux sismiques doivent รชtre sรฉlectionnรฉs et calibrรฉs de sorte quโils reflรจtent la sismicitรฉ de la rรฉgion ร lโรฉtude. Dans ce chapitre les caractรฉristiques des sรฉismes du Canada sont prรฉsentรฉes. Ensuite le processus de sรฉlection et de calibration des accรฉlรฉrogrammes sont prรฉsentรฉs.
Sismicitรฉ du Canada :
Le Canada, considรฉrรฉ comme une rรฉgion dont la sismicitรฉ est modรฉrรฉe ร importante, a connu de nombreux tremblements de terre durant les quatre derniers siรจcles. La figure 2.1 montre les zones touchรฉes par des sรฉismes de moyenne ร forte intensitรฉ durant les cinq derniers siรจcles (NRCAN 2011). On note que ces รฉvรจnements sont concentrรฉs principalement dans quatre zones bien dรฉfinies, soit : (a) lโEst du Canada, (b) lโOuest du Canada, (c) le Centre des Grandes Plaines et (d) le Grand Nord.
LโEst du Canada : LโEst du Canada est considรฉrรฉ comme une zone ร sismicitรฉ modรฉrรฉe. Le risque sismique y est cependant important ร cause de la population รฉlevรฉe. Cinq sรฉismes de magnitude supรฉrieure ร 5,8 sur lโรฉchelle de Richter ont eu lieu. Le sรฉisme de Saguenay, survenu en 1988 avec une intensitรฉ de 5,9, est le plus important sรฉisme de la rรฉgion ร avoir รฉtรฉ enregistrรฉ et constitue une rรฉfรฉrence pour la conception sismique des structures pour cette rรฉgion du Canada.
|
Table des matiรจres
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTรRATURE
1.1 Comportement sismique des ponts
1.1.1 Rupture par manque dโarmature de confinement
1.1.2 Rupture par manque dโarmature longitudinale
1.1.3 Rupture par cisaillement
1.2 Lโisolation sismique de la base : Principe fondamental et caractรฉristiques hystรฉrรฉtiques
1.3 Application de lโisolation sismique de la base aux ponts
1.4 Systรจmes dโisolation sismique de la base pour les ponts
1.4.1 Isolateurs sismiques ร base dโรฉlastomรจre
1.4.2 Isolateurs sismiques ร base de friction : Pendules ร friction
1.4.3 Autres systรจmes dโisolation sismique de la base
1.4.4 Autres dispositifs de technologies parasismiques
1.5 Armature longitudinale minimale dans les piles de ponts
1.5.1 Historique
1.5.2 Pourcentage dโacier dโarmature minimum
1.5.3 Contrรดle de la fissuration
1.5.4 Plastification des armatures
1.5.5 Disparitรฉs entre les codes sur la limite infรฉrieure de lโarmature longitudinale
1.5.6 Limites minimales de lโarmature longitudinale des colonnes dans le CSA-S6
1.5.7 Comportement des piles de ponts munies dโun faible taux dโarmatures longitudinales
1.6 Conclusions et critique de la revue de littรฉrature
CHAPITRE 2 SรLECTION, CALIBRATION ET รTALONNAGE DES SIGNAUX SISMIQUES
2.1 Sismicitรฉ du Canada
2.2 Sรฉlection des accรฉlรฉrogrammes
2.2.1 Sรฉlection des sรฉismes historiques
2.2.2 Sรฉlection des accรฉlรฉrogrammes artificiels
2.2.2.1 Mรฉthode de sรฉlection des accรฉlรฉrogrammes artificiels
2.2.2.2 Choix des accรฉlรฉrogrammes artificiels
2.3 Calibration et transformation des mouvements sismiques
2.3.1 Mรฉthodes de calibration des accรฉlรฉrogrammes
2.3.1.1 Mรฉthodes de calibration basรฉes sur un facteur dโรฉtalonnage
2.3.1.2 Mรฉthode de calibration dans le domaine frรฉquentiel (Mรฉthode FD)
2.3.1.3 Mรฉthode de calibration dans le domaine temporel (Mรฉthode TD)
2.3.2 Transformation et calibration des accรฉlรฉrogrammes historiques
2.3.2.1 Transformation des mouvements sismiques selon les directions principales
2.3.2.2 Calibrations des mouvements sismiques sur le spectre cible dans le domaine temporel
2.3.3 Calibration des accรฉlรฉrogrammes artificiels par facteur dโรฉtalonnage
2.3.3.1 รtalonnage des accรฉlรฉrogrammes artificiels
2.3.3.2 Vรฉrification du critรจre du code CNBC
CHAPITRE 3 MODรLISATION DU PONT
3.1 Modรจle du pont
3.1.1 Modรจle de base
3.1.2 Modรฉlisation du pont
3.2 Modรฉlisation de la rotule plastique
3.2.1 Longueur de la rotule plastique
3.2.2 Discrรฉtisation de la section dans la zone de rotule plastique
3.2.3 Lois de comportement des matรฉriaux
3.2.3.1 Courbes contrainte-dรฉformation du bรฉton
3.2.3.2 Courbe contrainte-dรฉformation de lโacier dโarmature
3.3 Modรฉlisation du systรจme dโisolation sismique
CHAPITRE 4 CONCEPTION DES VARIANTES DE PONTS ET PROCรDURE DโANALYSE TEMPORELLE NON LINรAIRE
4.1 Procรฉdure de conception sismique des variantes du pont
4.1.1 Analyses modales
4.1.2 Analyses spectrales et combinaison des directions sismiques
4.1.3 Calcul des efforts pour la conception des piles
4.1.4 Calcul des armatures dans les piles
4.2 Analyses temporelles non linรฉaires : Modรจles รฉtudiรฉs et paramรจtres
CHAPITRE 5 RรSULTATS ET DISCUSSIONย
5.1 รtude prรฉliminaire
5.2 Moments de flexion bi-axiale sous charges sismiques
5.3 Historiques des rรฉponses sismiques et courbes dโhystรฉrรฉsis
5.4 Dรฉformations maximales des fibres
5.4.1 Dรฉformations maximales dans les fibres du bรฉton non confinรฉ
5.4.2 Dรฉformations maximales dans les fibres du bรฉton confinรฉ
5.4.3 Dรฉformations maximales dans les fibres dโarmatures longitudinales
5.5 Dรฉplacement maximal des isolateurs sismiques
5.6 Dรฉplacements rรฉsiduels des isolateurs sismiques
5.7 Synthรจse des rรฉsultats et performance sismique des ponts รฉtudiรฉs
CONCLUSIONS
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I ACCรLรROGRAMMES AVANT ET APRรS LA CALIBRATION
ANNEXE II ARTICLE DE CONFรRENCE 1 SEISMIC BEHAVIOUR OF REGULAR BASE-ISOLATED BRIDGES WITH LOW RENIFORCEMENT RATIOSย
ANNEXE III ARTICLE DE CONFรRENCE 2 COMPORTEMENT SISMIQUE DES PILES DE PONTS ISOLรS ร LA BASE AVEC FAIBLES TAUX DโARMATURES LONGITUDINALESย BIBLIOGRAPHIE
Tรฉlรฉcharger le rapport complet